永磁同步发电机的参数、性能和运行特性优化

高速永磁同步发电机与电励磁同步发电机的主要区别在于高速永磁同步发电机磁路中有永磁体存在，导致磁路结构有所不同。从前面的分析可以看出，永磁体在高速永磁同步发电机中主要有以下两个作用：

1）作为发电机的励磁源。用永磁体励磁，使它对外磁路提供的磁势F_M和磁通ϕ_M可随外磁路的磁导和电枢反应磁通在小范围内变化，并可以由此引起漏磁通的变化，从而影响电枢反应磁势在小范围内变化，并可以由此引起漏磁通的变化，从而影响电枢绕组的感应电势。

2）构成较大磁阻的磁路段。由于永磁体的磁导率与空气磁导率接近，在电机磁路中对直轴电枢反应磁势来说是一个很大的磁阻。因此，电枢反应磁场被削弱，并且除通过永磁体外，还有相当一部分沿漏磁路径闭合，这就决定了高速永磁同步发电机直轴电枢反应电抗比电励磁式同步发电机的直轴电枢反应电抗小。在切向磁化结构中，还可以使直轴电枢反应电抗小于交轴电枢反应电抗。

由于永磁材料磁性能很高，而其磁导率又很小，这就使上述两个特点更加突出，从而使永磁同步发电机在性能、参数、特性、电压调节及电磁设计方法等方面出现了与电励磁同步发电机不同的特点。下面将分析其中两个重要的性能指标——固有电压调整率和输出电压波形正弦性畸变率。为此，需要先讨论励磁磁动势和交、直轴电枢反应电抗的计算。

1.电抗参数和矢量图

永磁同步发电机在空载运行时，空载气隙基波磁通在电枢绕组中产生励磁电动势E₀（V）；在负载运行时，气隙合成基波磁通在电枢绕组中产生气隙合成电动势E_δ（V），计算公式如下：

E₀=4.44fNK_dpϕ_δ0K_ϕ

E_δ=4.44fNK_dpϕ_δNK_ϕ

式中 N——电枢绕组每相串联匝数；

K_dp——绕组因数；

K_ϕ——气隙磁通的波形系数；

ϕ_δ0——每极空载气隙磁通（Wb）；

ϕ_δN——每极气隙合成磁通（Wb）。

电抗参数对同步发电机的性能和特性影响很大。电抗之间有如下关系：

X_d=X_ad+X_δ

X_q=X_aq+X_δ

式中 X_ad——直轴电枢反应电抗；

X_aq——交轴电枢反应电抗；

X_d——直轴同步电抗；

X_q——交轴同步电抗；

X_δ——漏抗。

直轴电枢反应电抗是指直轴磁路中单位直轴电流产生的交变磁链在电枢绕组中所感应电势的大小。其他电抗的物理意义与其类似。从电抗的物理意义出发，根据永磁同步发电机的磁路特点，其电抗参数与电励磁式同步发电机有两点重要区别。

1）由于永磁体的磁导率低，且它又是磁路的一部分，所以永磁同步发电机的电枢反应电抗X_ad、X_aq比电励磁同步发电机的小。

2）对电励磁凸极同步发电机，一般有X_ad＞X_aq，这是因为直轴磁路磁导总是大于交轴磁路磁导。从对永磁同步发电机的分析可知，如对于径向磁化结构的发电机，直轴磁路和交轴磁路磁导近似相等，故其电抗也近似相等，即X_ad≈X_aq。根据电抗参数可以画出永磁同步发电机不饱和矢量图，如图3-9所示。它的基本规律与电励磁同步发电机相同，但由于X_ad接近等于X_aq，所以，I_dX_ad/I_qX_aq（I_d为直轴电流，I_q为交轴电流）将小于电励磁式同步发电机。

电势平衡方程式为

E₀=U+jI_dX_ad+jI_qX_aq+I（R₁+jX₁）(www.xing528.com)

式中 E₀——相电动势；

U——相电压；

图3-9 永磁同步发电机不饱和矢量图

I——相电流；

R₁——电枢绕组直流相电阻；

X₁——漏电抗。

图3-10 永磁同步发电机外特性

2.外特性、固有电压调整率

同步发电机在负载变化时，由于漏阻抗压降和电枢反应的作用，使端电压发生变化。对高速永磁同步发电机，漏阻抗压降的作用与电励磁同步发电机是相同的，差别较大的是电枢反应的影响。同步发电机通常带感性负载，其电枢反应是去磁的，端电压将随负载增加而下降；漏阻抗压降随负载的增加而增加，它的作用也使端电压下降，因此外特性是下降的如图3-10所示。传统的电励磁发电机可以通过调节转子上的励磁控制输出电压，使其稳定。但是永磁同步发电机制成后，气隙磁场调节困难。因此，为使其能得到大量推广，需要对永磁同步发电机的固有电压调整率进行研究，还要深入研究降低固有电压调整率的措施。

发电机的固有电压调整率是指在负载变化而转速保持不变时出现的电压变化，其数值完全取决于发电机本身的基本特征，用额定电压的百分数表示，即

ΔU=（E₀-U）/U_n×100%

式中 U——输出电压。

为了降低电压调整率，必须在给定E₀值基本不变的情况下尽量增大输出电压U；而要增大输出电压U，则既要设法降低电枢反应引起的去磁磁通量，又要减小电枢绕组电阻R₁和漏抗X₁的压降。

1）为了降低电枢反应引起的去磁磁通量，首先要增大永磁体的抗去磁能力，即增大永磁体的抗去磁磁动势，为此应选用矫顽力H_c大、回复磁导率R_r小的永磁材料；同时，增大永磁体磁化方向长度，使工作点提高，削弱电枢反应的影响。其次，需要减少电枢绕组每相串联元件数，增加转子漏磁通以削弱电枢反应对永磁体的去磁作用。为此，应选用剩磁密度B_r大的永磁材料；并且应增加永磁体提供每极磁通的截面积，这时磁通明显增加，可以有效减小每相串联元件数。

2）为了减小定子漏抗X₁，需要选择宽而浅的定子槽形；减少电枢绕组每相串联的元件数，但要注意小的电枢绕组每相串联匝数使短路电流增大；缩短绕组端部长度，适当加大气隙长度，加大长径比等。

3）为了减小电枢电阻，需要减少电枢绕组每相串联的元件数，增大导体截面积。

虽然上述各种措施在一定程度上可以减小固有电压调整率，但将耗用更多的永磁体材料，增大了发电机的体积和重量，且为满足规定的性能指标，对电机参数的要求也非常高，增加了设计工艺的复杂性。更为重要的是，这些措施都无法改变永磁同步发电机“励磁不可调导致输出电压不可调”这一根本的问题。因此，单靠发电机体设计上的改进，这一问题没有得到真正的解决。

3.电动势波形和正弦性畸变率

工业上对同步发电机电动势波形的正弦性有严格的要求，实际电动势（通常指空载线电压）波形与正弦波形之间的偏差程度用电压波形正弦性畸变率来表示。电压波形正弦性畸变率是指该电压波形不包含基波在内的所有各次谐波有效值二次方和的二次方根值与该波形基波有效值的百分比。

为减小调整永磁同步发电机输出电压波形的正弦性畸变率，在设计发电机时，除了要采用分布绕组、短距绕组、正弦绕组和斜槽等措施外，还应改善气隙磁场波形，它不但和气隙形状有关，还与稳磁处理方法有关。在对电压波形要求严格的场合，需对发电机的极靴形状进行加工，使气隙磁场分布尽可能地接近正弦。

4.损耗与效率

效率高是高速永磁同步发电机的一大优点，这是指在同等条件下与电励磁同步发电机比较而言的，其原因如下。

1）无励磁损耗和电刷集电环摩擦损耗。

2）转子表面光滑，使得发电机旋转时的风阻损耗大为降低。

3）当发电机负载增大时，永磁同步发电机铁损耗可以近似认为不变；而电励磁同步发电机外特性软，随负载的增大，必须同时增加其气隙磁通量，才能保持输出电压的不变，故铁耗也相应增加，效率降低。